日益增长的用水需求和淡水的供应关系不平等逐渐成为全球社会关注的热点。自2012年莱斯大学科学家Naomi Halas创新性提出利用纳米粒子技术将太阳能转换，从液态水中提取水蒸气以来（ACS Nano 2013, 7, 1, 42–49），该技术一直被认为是从海水中生产清洁水的有效方法。利用太阳能直接蒸发能够克服当前膜蒸馏和反渗透进行海水淡化的工艺复杂，成本高等困难。近十年来，利用光热材料、调控微纳米结构、改变水与材料之间的作用力、水分子状态激活等途径使界面水蒸发率有所提高，然而，由于入射光和产生水蒸气间的强干扰作用造成较大的能量损失，同时，该相互作用也限制了最终的水蒸发和收集效率。因此，每小时每个太阳辐射面积的集水量，即比水生产率（SWP）还远未达到令人满意的水平，用于水产生的实际太阳能效率也亟需提高。
为了解决这一问题，清华大学曲良体教授，程虎虎教授联手瑞典斯德哥尔摩大学Jiayin Yuan教授，报道了一种具有Janus界面结构的太阳能蒸汽发生器， 该材料能够利用薄膜发生器Janus结构将两侧水分蒸发和光热转换分开，大小为100 cm2的Janus薄膜发生器在一个太阳光条件下，水蒸气蒸发率为2.21 kg m−2 h−1，而比水生产率（SWP）高达1.95 kg m−2 h−1，其SWP效率高达88%，这是目前所有报道过的单级太阳能集水发生器中的最高水平。这种Janus薄膜太阳能蒸汽发生装置为设计用于实际应用的高校太阳能集水发生器提供了一种新途径。该工作以“Janus-interface engineering boosting solar steam towards highefficiency water collection”为题，发表在最新一期《Energy & Environmental Science》。
界面太阳能蒸汽发生体系使用先进的光热技术，能够最大限度的利用太阳能，同时减少热损失，改善水蒸发能力。因此，在一个太阳条件下水蒸发率(WER, >1.5 kg m−2 h−1)相较于传统的太阳能蒸馏器（1 kW m−2）增加了数倍。然而，这种太阳能驱动的水蒸气连续生产过程通常是在封闭系统中进行的，包括水蒸发、冷凝和收集过程（如图1a）。入射光和产生的水蒸气在同一表面，而水蒸气能够在很大程度上吸收、分散和反射太阳光，两者之间存在的强烈互相干扰作用大大降低了比水生产率和太阳能利用效率。鉴于此，Janus太阳能蒸汽发生器（J-SSG）的太阳能吸收侧为微纳米混合抗反射结构，实现了高太阳能吸收（>96%）和快速太阳能热转换（如图1b）。水汽蒸发侧使用增强亲水性的聚乙烯醇（PVA）和壳聚糖的聚合物，具有大量的微通道和精心设计的多层多孔足够的水输送和快速水蒸发的结构。同时，JSSG 金属骨架的高导热性使得从太阳能转换而来的热量很容易被从太阳能吸收侧转移到水分蒸发侧几乎没有损失。
图1. 太阳能水汽蒸发过程示意图
界面太阳能蒸汽发生体系的构造-太阳能吸收侧
图2. J-SSG的制备工艺及光热转化性能
J-SSG通过自制的Janus铜箔/泡沫结构作为骨架，通过快速激光加工将箔面精心制作成微纳米混合抗反射结构作为太阳能吸收器。泡沫铜一侧则涂有乙酰化壳聚糖和PVA气凝胶（ACPA）混合物膜作为多孔水蒸发器。J-SSG的面积为100 cm2，厚度为3mm（图2）。太阳能吸收表面的扫描电镜谱图表明经激光加工后形成了周期为50 μm紧密排列的金字塔状阵列，可通过增加光反射次数增强太阳能吸收。经检测，J-SSG能够在250-2500 nm波长范围吸收约96%的入射光，吸收器的表面温度能达到83.8 ℃，即使在宽入射角范围内，其也表现出较高的光热转换能力。
界面太阳能蒸汽发生体系的构造-水蒸气收集侧
泡沫铜经过通过多次涂覆亲水性乙酰化壳聚糖和PVA气凝胶混合材料（ACPA）形成了多层多孔结构，经表征， 该ACPA结构具有三维孔道，孔径约10-30 μm。同时该结构含有多个亲水官能团，如羟基、氨基和酰胺等。通过壳聚糖的乙酰化转化，也使该水汽蒸发器能够在水中保持6个月的稳定形态。此外，均匀的纳米孔和亲水性官能团可以调节氢的形成和水分子的结合，从而降低蒸发所需要的能量。已知纯水蒸发焓为2436 J g-1，优化后的ACPA蒸发器中，水蒸发所需能量仅为1532 J g-1，即表明想通能量输入，ACPA蒸发器能够大大提高蒸发率（如图3）。
图3. J-SSG水汽蒸发侧的表征和性能测试
J-SSG太阳能水蒸气发生器的传热性能表征
图4. J-SSG的传热能力和光热蒸发性能
J-SSG在干燥状态下可以在70.0秒内达到83.4 ℃，如图4。该结论通过三个特定检测点间的差异衡量，一次阳光照射下，三个检测点在6.58 s后达到40 ℃，且第一点和第三点间时间差仅为50毫秒。在53.58 s时，蒸发器达到80 ℃，三个检测点达到相同温度的时间延迟仅为0.70秒。通过模拟在太阳辐照下的场温度可以看出内部最大温差始终低于0.1℃。使用激光闪光测试表明，从太阳光吸收侧到蒸发侧的热导率约为42.78W m-1 k-1，可与商业金属的高导热性相媲美。在一次阳光照射下J-SSG的蒸发速率为2.21 kg m−2 h−1，这是迄今为止在100cm2的太阳能蒸发发生器中的最高值。
J-SSG太阳能海水淡化系统的建立
基于J-SSG建立海水淡化系统如图5. J-SSG垂直放置，太阳能吸收面朝外，水蒸发面朝内。阳光直射于吸光侧，避免了由于水蒸气反射和散射而造成的26%的能量损失。因此，与传统太阳能蒸汽发生器相比，太阳能利用效率提高了约35%。
图5. J-SSG太阳能海水淡化系统的建立
总结
作者采用全新Janus结构薄膜对太阳能吸收光热转换侧和水蒸气发生收集侧进行分割，大大减少了光热转化和传热过程中的能量损失，比产水率为目前单级太阳能蒸汽发生器中最高值。同时，通过该薄膜体系的协同作用，使得性能优异的J-SSG在未来实践中能够更好的利用太阳能生产清洁水。
全文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee01381e
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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